Hình 1.22 – Mặt đường, cầu và các công trình được quét và dựng lại bằng công nghệ
Công nghệ quét Laser 3D được sử dụng trong quá trình khảo sát, xây dựng và duy tu các công trình giao thông như đường xá, cầu cống, các công trình phụ trợ … bao gồm các nhiệm vụ
cụ thể như đo đạc địa hình, khảo sát hiện trạng bề mặt đường, tính toán mặt cắt lớp bê tông nhựa, tính toán thể tích lớp nhựa bề mặt, thiết kế và lập hồ sơ hoàn công công trình cầu, đánh giá hiện trạng công trình giao thông như cầu và hầm, phục chế các công trình giao thông mang tính lịch sử.
Ngoài ra quét Laser 3D còn được sử dụng phổ biến trong quá trình xây dựng và duy tu các công trình hầm phức tạp, sân bay, nhà ga, đường tàu hoả, cảng và công trình cảng liên quan.
1.5.9 Nhà máy và công nghiệp xử lý
Công nghệ quét Laser 3D có khả năng ghi nhận lại một cách chính xác tình trạng hiện thời của các hợp phần cấu thành nhà máy phục vụ cho quy trình bảo dưỡng cũng như lắp đặt bổ sung thêm các hợp phần thiết bị mới. Mô hình 3D nhà máy được xây dựng lại dựa trên công nghệ quét Laser sẽ tính toán được mức độ phù hợp giữa các hợp phần cũ và mới sẽ lắp đặt trong quá trình nâng cấp, các điểm va chạm sẽ được chỉ rõ trên mô hình 3D để có phương pháp điều chỉnh kịp thời. Công nghệ quét Laser 3D cũng cho phép các Tập đoàn lớn với nhà máy phân bố khắp toàn cầu có thể xem, đánh giá, giới hạn và quản lý nhân sự vận hành, quản lý và điều hành hiệu quả hơn từ một nơi đến nhiều địa điểm nhà máy khác nhau.
1.5.10 Ứng dụng quét 3D trong cải tạo công trình dân dụng và công nghiệp
Công nghệ quét Laser 3D thường được sử dụng để thu thập số liệu hiện trạng, các hợp phần chưa được hoàn thiện, các hợp phần hồ sơ hoàn công đã bị thất lạc của tất cả các công trình dân dụng và công nghiệp. Các đám mây điểm 3D được sử dụng để phát triển và xây dựng những mô hình 3D nội thất và ngoại thất công trình, hỗ trợ xây dựng kế hoạch và phương án thi công cải tạo, bổ sung cũng như duy tu định kỳ cho công trình.
Hình 1.24 – Hiện trạng thi công phần kỹ thuật toà nhà được dựng lại dưới dạng 3 chiều
CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH
2.1Giới thiệu kỹ thuật tạo mẫu nhanh.
Kỹ thuật tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping - RP) là kỹ thuật in hình ảnh nổi chi tiết mẫu. Là khái niệm mới mẻ trong lĩnh vực chế
tiếp từ dữ liệu mô hình CAD 3D với thời gian rất ngắn. Kỹ thuật này góp phần giảm đáng kể thời gian, chi phí trong quá trình thiết kế cơ khí. So với phương pháp gia công truyền thống kỹ thuật này có ưu điểm như sau: Không cần chuẩn bị dụng cụ cắt gọt. Không tốn đồ gá, sửa đổi nhanh, thiết kế lại chi tiết thuận lợi, có thể thiết kế những chi tiết phức tạp mà khi gia công trên những máy công cụ số khó khăn hoặc không gia công được.
Ra đời vào năm 1998, kỹ thuật tạo mẫu nhanh đang tồn tại hơn 30 công nghệ khác nhau như : SLA, FDM, SLS, …. Với nguyên tắc chung là bồi đắp vật liệu hoặc tách vật liệu theo lớp. Với mỗi phương pháp, mỗi loại vật liệu khác nhau thì độ chính xác cũng khác nhau.
* Các thời kỳ tạo mẫu nhanh.
Quá trình tạo mẫu được phân ra làm ba thời kỳ. Hai thời kỳ sau chỉ mới ra đời trong khoảng 20 năm trở lại đây. Tương tự như quá trình tạo mẫu trên máy vi tính, tính chất vật lý của mẫu chỉ được nghiên cứu phát triển trong thời kỳ thứ ba.
Thời kỳ đầu : tạo mẫu bằng tay
Thời kỳ đầu tiên ra đời cách đây vài thế kỷ. Trong thời kỳ này, các mẫu điển hình không có độ phức tạp cao và chế tạo một mẫu trung bình mất khoảng 4 tuần. Phương pháp tạo mẫu phụ thuộc vào tay nghề và thực hiện công việc một cách cực kỳ nặng nhọc. Cho đến ngày nay phương pháp tạo mẫu thủ công này vẫn còn sử dụng khá phổ biến, trong các trường ĐH về mỹ thuật có ngành Tạo Dáng, thì chính là nó đó. Hiện nay phương pháp tạo mẫu này mang hơi hướm nghệ thuật, hàng chế tác riêng nhiều hơn là tạo mẫu trong sản xuất hàng loạt.
Hình 2.1: Tạo mẫu thủ công
Thời kỳ thứ hai: phần mềm tạo mẫu hay tạo mẫu ảo
Thời kỳ thứ hai của tạo mẫu phát triển rất sớm, khoảng giữa thập niên 70. Thời kỳ này đã có phần mềm tạo mẫu hay tạo mẫu ảo. Việc ứng dụng CAD/CAE/CAM đã trở nên rất phổ biến. Phần mềm tạo mẫu sẽ phát họa trên máy vi tính những suy tưởng, ý tưởng mới. Các mẫu này như là một mô hình vật lý: được kiểm tra, phân tích cũng như đo ứng suất và sẽ được hiệu chỉnh cho phù hợp nếu chúng chưa đạt yêu cầu. Thí dụ như phân tích ứng suất và sức căng bề mặt chất lỏng có thể dự đoán chính xác được bởi vì có thể xác định chính xác các thuộc tính và tính chất của vật liệu.
Hơn nữa, các mẫu trong thời kỳ này trở nên phức tạp hơn nhiều so với thời kỳ đầu (khoảng trên hai lần). Vì thế, thời gian yêu cầu cho việc tạo mẫu có khuynh hướng tăng lên, tính chất vật lý của mẫu vẫn còn phụ thuộc vào các phương pháp tạo mẫu cơ bản trước. Tuy nhiên, việc vận dụng các máy gia công chính xác đã cải thiện tốt hơn các tính chất vật lý của mẫu.
Thời kỳ thứ ba: quá trình tạo mẫu nhanh
Tính chất vật lý từng phần của sản phẩm trong quá trình tạo mẫu nhanh cũng được biết đến. Quá trình tạo mẫu rỗng thích hợp cho việc sản xuất trên bàn nâng hay công nghệ sản xuất lớp. Công nghệ này thể hiện quá trình phát triển tạo mẫu trong thời kỳ thứ ba. Việc phát minh ra các thiết bị tạo mẫu nhanh là một phát minh quan trọng. Những phát minh này đã đáp ứng được yêu cầu của giới kinh doanh trong thời kỳ này: giảm thời gian sản xuất, độ phức tạp của mẫu tăng, giảm chi phí. Ở thời điểm này người tiêu dùng yêu cầu các sản phẩm cả về chất lượng lẫn mẫu mã, nên mức độ phức tạp của chi tiết cũng tăng lên, gấp ba lần mức độ phức tạp mà các chi tiết đã được làm vào những năm của thập niên 70. Nhưng nhờ vào công nghệ tạo mẫu nhanh nên thời gian trung bình để tạo thành một chi tiết chỉ còn lại vài giờ so với hàng tuần ở thời kỳ thứ hai. Năm 1988, hơn 20 công nghệ tạo mẫu
Ta thấy rằng nhu cầu tạo nên mẫu sản phẩm ban đầu là một nhu cầu thiết yếu trong quá trình sản xuất, trước khi sản xuất hàng loạt một sản phẩm nào cũng phải cần tạo mẫu sản phẩm trước để kiểm tra tính hiện thực và khả thi. Nếu mẫu sản phẩm càng chính xác bao nhiêu, càng nhanh bao nhiêu thì sẽ càng tránh được những lỗi mắc phải trong quá trình sản xuất sau này và càng tiết kiệm được chi phí sản xuất bấy nhiêu.
Nên “công nghệ tạo mẫu nhanh” mang toàn bộ ý nghĩa của nó, “công nghệ”: đảm bảo độ chính xác, “tạo mẫu nhanh” đảm bảo thời gian nhanh chóng .
Hình 2.3: Công nghệ in 3d
* Ưu điểm của công nghệ tạo mẫu nhanh.
Tạo mẫu nhanh có những ưu điểm sau đây: + Hình dung ra sản phẩm tốt hơn bản vẽ.
+ Tăng khả năng quan sát của chi tiết, người thiết kế sau khi thiết kế vài giờ sẽ tạo ra sản phẩm thật 3 chiều, có thể quan sát sản phẩm rất nhanh chóng mà không cần qua quá trình gia công phức tạp.
+ Giúp nhà thiết kế đưa ra sản phẩm ra thị trường nhanh chóng kịp thời với nhu cầu xã hội.
+ Kiểm tra được độ chính xác của khuôn mẫu trước khi đưa vào sản xuất hàng loạt. + Giảm được thời gian và chi phí trong việc thiết kế và tìm ra sản phẩm mới
+ Chế tạo những sản phẩm phức tạp nhờ vào phương pháp đắp dần vật liệu
+ Phương pháp tạo mẫu nhanh đã tạo một kênh thong tin hiệu quả giữa các nhà thiết kế với nhau, giữa nhà thiết kế với nhà sản xuất và người tiêu dùng, nhằm thỏa mãn tốt nhất nhu cầu và khả năng của thị trường.
* Nhược điểm của công nghệ tạo mẫu nhanh.
+ Độ bền của mẫu phụ thuộc vào vật liệu và công nghệ sử dụng.
+ Độ chính xác của sản phẩm không cao vì nguyên tắc gia công đắp vật liệu theo từng lớp.
+ Giá thành của sản phẩm còn cao do chi phí đầu tư và bảo trì thiết bị lớn.
2.2Các bước công nghệ trong tạo mẫu nhanh
Quá trình tạo mẫu nhanh của mỗi công nghệ có những điểm khác nhau, nhưng chúng đều có các bước sau:
2.2.1 Tạo mô hình CAD
Đây là bước đầu tiên trong quá trình tạo mẫu nhanh, áp dụng cho tất cả các hệ thống tạo mẫu nhanh khác nhau, nó gắn liền với việc tạo mô hình 3D của vật thể thiết kế bằng máy tính. Để tạo ra mô hình vật thể thiết kế, người thiết kế có thể xây dựng mô hình nhờ phần mềm CAD, Scaner hoặc tạo dựng vật thể theo toạ độ mà máy đo toạ độ cung cấp. Quá trình này giống hệt nhau đối với các loại kỹ thuật RP khác nhau. Đây là bước quan trọng nhất và quyết định đến chất lượng và độ chính xác của sản phẩm.
2.2.2 Chuyển đổi sang định dạng STL (Conversion to STL format):
Các phần mềm 3D khác nhau sử dụng thuật toán khác nhau để thể hiện vật thể rắn (Solid part), để thiết lập tính thống nhất - định dạng STL đã được áp dụng như là tiêu chuẩn của ngành công nghiệp tạo mẫu nhanh. Định dạng này là quỹ tích của các mặt tam giác phẳng lắp ráp liên tục với nhau thể hiện bề mặt của vật
thể trong không gian ba chiều. Do định dạng STL sử dụng các yếu tố mặt phẳng (planar triangles) nên nó không thể hiện bề mặt cong một cách chính xác. Tăng số lượng mặt tam giác có thể cải thiện độ mịn của bề mặt cong nhưng bù lại dung lượng file sẽ tăng. Các chi tiết lớn, phức tạp sẽ cần nhiều thời gian cho khâu tiền xử lý và xây dựng định dạng STL. Do đó, người thiết kế phải cân nhắc giữa yếu tố thời gian, dung lượng file và độ chính xác để có được một file STL hữu ích.
2.2.3 Cắt file STL (Slice the STL file):
Trong bước này, một chương trình xử lý file STL sẽ được xây dựng, một số chương trình có sẵn và hầu hết cho phép người dùng điều chỉnh kích thước, vị trí và hướng đặt để mô hình.
Xác định hướng đặt là quan trong với nhiều lý do:
- Tính chất của mẫu tạo thành sẽ thay đổi tương đồng với phương hướng đặt để. Ví dụ: mẫu sẽ yếu hơn và ít chính xác hơn theo phương Z so với phương XY
- Hướng đặt mô hình quyết định thời gian xây dựng mô hình. Vì thế nên đặt phương ngắn nhất của vật thể theo hướng Z của thiết bị để giảm số lượng các lớp do đó rút ngắn thời gian xây dựng mô hình.
- Mổi lát cắt (layer) có bề dày dao động từ 0.016mm đến 0.7mm tùy theo công nghệ khác nhau. Hiện tại, công nghệ Polyjet của Objet/Stratasys có thể đạt bề dày lớp cắt 0.016mm
Chương trình cũng đồng thời tạo ra một cấu trúc phụ trợ để hổ trợ các mô hình trong quá trình xây dựng. Nó hỗ trợ hữu ích cho các tính năng của mô hình như: phần nhô ra không chân (beam); lỗ hỗng bên trong và phần vách mỏng. Mổi nhà sản xuất máy Print 3D cung cấp độc quyền phần mềm của riêng mình.
Để quá trình chế tạo được tốt thì phải định hướng chế tạo. Một quá trình định hướng chế tạo hợp lý có thể nâng cao được độ chính xác chi tiết và giảm thời gian chế tạo chi tiết do đó giảm được giá thành sản phẩm. Định hướng chế tạo phụ thuộc vào mục tiêu lựa chọn, có nhiều mục tiêu như: Chiều cao chế tạo, chất lượng bề
mặt, việc chế tạo các phần nâng đỡ sản phẩm, …
2.2.4 Chế tạo
Đây là giai đoạn polyme hoá nhựa hay thiêu kết vật liệu và kết quả cuối cùng một vật thể 3D được tạo ra. Tuỳ theo phương pháp gia công việc chế tạo được thực hiện với phần cứng và phần mềm với vật liệu thích hợp. Nhưng quá trình chế tạo vẫn tuân theo nguyên tắc gia công vật liệu theo từng lớp, lớp này kế tiếp lớp kia. Vật thể được hình thành có thể theo cách bồi đắp vật hay tách bỏ vật liệu theo lớp. Kết cấu đỡ được chế tạo trước hoặc được chế tạo cùng với chi tiết. Tuỳ theo phương pháp, sau mỗi lớp bàn đỡ được hạ xuống hoặc nâng lên để gia công lớp tiếp theo. Các chuyển động của bàn đỡ và dụng cụ đều được lập trình và điều khiển bằng máy tính.
2.2.5 Loại bỏ vật liệu thừa, hoàn thiện và làm sạch vật thể chế tạo
Loại bỏ vật liệu thừa: Sau khi kết thúc quá trình chế tạo, vật liệu thừa (bột thừa
trong phương pháp thiêu kết, nhựa lỏng thừa, các lớp vật liệu đã được cắt bỏ trong phương pháp LOM …) được lấy đi khỏi vùng gia công. Vật thể sau khi chế tạo được lấy ra khỏi vùng gia công và được làm sạch bằng các phương pháp như phun khí, rửa, sửa và làm sạch bằng phương pháp cơ khí.
Xử lý sau chế tạo: Trong một số công nghệ tạo mẫu nhanh, vật thể sau chế tạo mới
chỉ được thiêu kết hay polyme hoá một phần nên chưa đạt được các chỉ tiêu cao nhất vềcác tính chất cơ lý hoá… nên cần phải có các bước xử lý tiếp theo tuỳ theo phương pháp chế tạo. Vật thể sau khi được tạo hình có thể được thiêu kết hoànthiện hoặc nhúng vào nhựa hay cao su để tiến hành polyme hoá hay lưu hoá để đạt yêu cầu đặt ra.
Hoàn thiện chi tiết: Tuỳ theo mục đích sử dụng, có thể dùng nhiều mức hoàn thiện
chi tiết nhằm mô hình hoá quan sát và mô hình hoá khái niệm, chỉ cần loại bỏ các chân đỡ là được. Để linh hoạt và tối ưu hơn có nhiều phương pháp hoàn thiện như bằng tay, phun các hạt có kích thước nhỏ, hay biện pháp tích hợp cả hai phương pháp trên. Các chi tiết cũng có thể được đánh bóng, sơn hay phủ kim loại.
2.3. Các công nghệ tạo mẫu nhanh
2.3.1. Các công nghệ tạo mẫu nhanh sử dụng vật liệu ở dạng lỏng
a. Hoá rắn polime lỏng cảm quang
- Phương pháp này được xây dựng dựa trên hiện tượng một số loại polime lỏng bị hoá rắn dưới tác động của bức xạ điện từ: VD: như tia tử ngoại, tia laze…
- Chi tiết có thể được xây dựng bằng cách hoá rắn từng điểm hoặc hoá rắn toàn bộ lớp.
- Phương pháp này được áp dụng khá phổ biến.
b. Hoá rắn vật liệu nóng chảy
- Đây là phương pháp dựa trên việc làm chảy và hoá rắn lại vật liệu chế tạo chi tiết. - Phương pháp này có 2 dạng chính đó là lắng đọng vật liệu nóng chảy
tại các điểm và hoá rắn vật liệu cả lớp cùng lúc.
c. Một số phương pháp tạo mẫu nhanh dựa trên cơ sở vật liệu dạng lỏng + Thiết bị tạo mẫu lập thể SLA của 3D Systems
+ Thiết bị xử lý dạng khối SGC của Cubital
+ Thiết bị tạo mẫu nhanh dạng khối SGS của Sony
+ Thiết bị in sử dụng tia tử ngoại tạo vật thể dạng khối SOUP của Misuibish . + Thiết bị tạo ảnh nổi của EOS
+ Thiết bị tạo ảnh khối của Teijin Seiki
+ Thiết bị tạo mẫu nhanh của Meiko cho ngành công nghiệp đồ trang sức.